三維激光掃描技術在異形建筑竣工測量中的應用

王 智，薛慧艷

(青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032)

隨著城市化進程的加快及施工工藝的快速發展，越來越多的異形建筑出現在城市的主要場所，特別是城市標志性建筑、重大活動的場館大多采用外形新穎、獨特的設計理念進行建設，異形建筑在給人們帶來視覺享受的同時，給規劃竣工驗收也帶來了挑戰[1]，如單體竣工需要繪制異形建筑平面圖、剖面圖，與設計數據進行對比分析，以驗證施工是否滿足規劃設計要求[2-3]，傳統的全站儀、GNSS接收機等測繪儀器均是相互獨立的單點測量模式，異形建筑特征點難以取舍，內業成圖各構筑物要素不易表達，難以全面反映異形建筑在空間的連續變化情況[4]。

三維激光掃描技術的出現為異形建筑的竣工驗收測量提供了有效的解決方案，它突破傳統的單點測量模式，以點云的形式采集并保存空間物體表面的三維幾何信息和紋理數據[5]。2014年世園會是繼2008年奧帆賽之后，青島承辦的持續時間最長、參與人數最多、涉及面最廣的一項國際性活動。世園會的主要標志性建筑——主題館，是典型的異形建筑，本文以青島世園會主題館為例，介紹三維激光掃描技術在異形建筑物規劃竣工驗收測量中的應用，可供其他類似工程借鑒參考。

1 數據采集

外業數據采集采用徠卡ScanStation P40三維激光掃描儀，P40融合了高精度的測角測距技術、WFD波形數字化技術、Mixed Pixels混合像元技術和HDR圖像技術，測角精度為8″，測距精度為1.2 mm+1×10-5D，掃描速率高達每秒100萬點，掃描距離可達270 m[6]，外業數據采集流程如圖1所示。

為保證各站掃描數據具有較高精度的絕對坐標及內符合性，綜合考慮主題館周邊地形情況及竣工測量的精度，在主題館周邊利用青島市連續運行基準站系統下的網絡RTK布設平面控制點，高程采用電子水準儀進行二等水準觀測，并以其中一個控制點RTK觀測下經精化后的正常高作為起算點，作閉合水準平差得到各個控制點的高程。

圖1 外業數據采集流程

架站時充分利用現場地形的高差起伏使掃描視野覆蓋整個主題館，為避免激光掃描方向與被掃物體夾角過大帶來的誤差，外業應盡量保證正直掃描[7]，每兩個測站之間通過2～3個標靶進行聯結，并保證有一定的重疊區域，同時顧及與控制點的銜接，以及減小干擾物體的遮擋[8]。

參數設置主要包括掃描范圍設置和掃描密度設置，掃描范圍越大，密度越高，外業掃描花費的時間越長，內業數據傳輸及點云預處理的時間也就越長[9]，為提高作業效率并顧及建筑物竣工測量的精度要求，將掃描密度設置為中低檔，每一站的掃描范圍僅限于主題館視野區域[10-11]。設置后每站掃描時間不到10 min。

2 數據處理

2.1 點云數據預處理

直接獲取的點云具有數據量大、密度高、帶有掃描物體光學特征信息等特點[12]。點云預處理采用Cyclone軟件，預處理主要包括點云拼接、去噪濾波、點云分割等操作[13]。流程如圖2所示。

點云拼接是通過一定的約束條件將外業各測站的掃描數據配準到統一的坐標系下，拼接完成后得到一個項目的完整點云[14]。拼接的基本原理是將不同測站觀測的同名點利用空間相似變換公式轉換到統一的坐標系下，轉換公式如下

圖2 三維點云預處理流程

(1)

式中,(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)為同名點在不同測站下的空間三維坐標;R為旋轉正交矩陣；T為平移矩陣。

拼接方法主要有基于標靶的拼接和基于點云視圖的拼接，基于標靶拼接的前提是掃描儀現場在整平狀態下掃描站點與站點之間有兩個或兩個以上的公共標靶，基于點云的視圖拼接是利用站點之間掃描的公共區域進行的半自動拼接[15]。本項目采用基于標靶的拼接方式，不同測站相互拼接的轉換參數通過標靶進行自動求解，并通過錄入控制點坐標使得點云統一到當地絕對坐標系下。拼接后的點云如圖3所示。

圖3 拼接后主題館點云

點云優化包括點云統一化、抽稀等操作，點云統一化的目的是將整個點云統一處理為單一的合并點云，由于激光掃描儀外業觀測數據量龐大，操作對電腦配置要求高，抽稀即減小點云的密度，統一化處理、抽稀后，點云的瀏覽、選擇等操作都會在原有的基礎上變得更加流暢。

去噪、濾波是一種點云優化過程。在掃描儀的原始點云中往往包含若干對于成果處理有不良影響的點，去噪、濾波就是通過一定的處理手段，保留有效點，刪除無效點的過程。對于有序點云可通過平滑濾波的方法進行去噪，對于散亂點云數據則采用八叉樹法、空間單元格法、KD-tree法等方法進行去噪處理。

點云的切割本質是將一片完整的點云劃分為若干個點云的子集，便于后續的建模等基于點云的成果處理和數據的導入導出。

2.2 三維建模

三維建模是將海量離散的三維空間點轉換為連續、統一的三維模型的過程，建模可通過擬合等方式創建，以精確表現掃描物體的空間形態。擬合點云首先需要選取特定位置的點云數據，并通過延展、對齊、切割等輔助操作進行構建，對創建的單元模型通過編輯模型顏色及材質以增強掃描物體的三維真實效果。

異形建筑三維模型構建過程中曲面的擬合是最關鍵、復雜的過程，其主要是尋找最優的數學模型，通過對空間離散點的擬合構建異形建筑原始的近似模型。曲面擬合采用非均勻有理B樣條模型(NURBS模型)，該模型具有算法穩定、速度快、曲面擬合效果好等優點。

NURBS模型擬合空間曲線采用分段有理多項式函數，表示為

(2)

式中，Wi為權重；Vi為控制頂點；Bi,k(u)為k次規范B樣條基函數。

NURBS模型擬合空間曲面數學函數表示如下

(3)

式中，Wi,j為四角頂點處的權重；Vi,j為控制頂點拓撲矩陣，形成一個控制網絡；Bi,k(u)和Bj,l(w)分別是u向k次和w向l次B樣條基函數。

世園會主題館大部分結構為規則的空間平面，在四角轉彎處為空間不規則曲面，平面擬合先切割點云，限制擬合空間范圍，再拾取相應點云進行自動擬合，不規則曲面采用NURBS模型進行擬合，建模后的三維主題館模型如圖4所示。建立三維模型后可創建三維漫游動畫等方式，提供給相關部門輔助規劃竣工驗收。

圖4 建模后主題館效果

2.3 竣工圖制作

建筑物單體竣工圖主要包括平面圖和立面圖，可通過在Cyclone軟件里創建參考面及切片功能實現，參考面是三維模型轉向二維線劃圖的重要輔助工具，切片功能往往與參考面功能協同使用，以達到切割剖面的目的。

根據設計圖及規劃竣工要求設置參考面位置，并設置厚度為2 cm的切片點云，在切片點云的基礎上繪制二維線劃圖，繪制后的平面和剖面圖如圖5 和圖6所示。

圖5 規劃竣工平面圖

圖6 規劃竣工立面圖

3 結 語

三維激光掃描技術突破了傳統的單點測量技術，大大縮短了作業時間，提高了生產效率，大大節省了人力成本且成果更加全面，具有點云、模型、線劃圖等多種成果表達方式；鑒于三維激光掃描儀良好的技術特性，已逐步應用于各相關領域，利用三維激光掃描技術對復雜不規則結構的異形建筑物進行竣工測繪具有無可替代的優勢。

本文總結了使用三維激光掃描儀外業數據采集、點云數據預處理及竣工圖生產等整個過程，對模型構建、剖面圖繪制等關鍵技術進行了分析，并結合青島世園會主題館竣工測量案例說明了三維激光掃描儀用于異形建筑竣工測量的優勢，對于其他類似工程具有重要參考意義。

歡迎訂閱《測繪通報》

《測繪通報》創刊于1955年，是由國家測繪地理信息局主管、中國地圖出版社(測繪出版社)主辦的反映我國測繪地理信息科技發展現狀和指導全國測繪地理信息生產業務的綜合性、技術性刊物。現為《中文核心期刊要目總覽》收錄期刊、中國科技核心期刊(中國科技論文統計源期刊)、中國科學引文數據庫(CSCD)來源期刊、中國學術期刊網絡出版總庫(CAJD)全文收錄期刊、中國學術期刊綜合評價數據庫(CAJCED)核心統計源期刊、《中國學術期刊文摘》收錄期刊。曾被評為第二、三屆國家期刊獎百種重點期刊，多次榮獲全國優秀測繪地理信息期刊獎。

《測繪通報》的主要內容包括大地測量、全球導航衛星系統(GNSS)、攝影測量、遙感(RS)、地圖制圖、地理信息系統(GIS)、工程測量、礦山測量、地籍測繪、海洋測繪、測繪儀器、信息傳輸、圖形圖像處理等方面的新成果和新技術；行業管理、科研、教學、生產的先進經驗；計算機、通信等相關理論技術在測繪地理信息領域里的應用及測繪地理信息科技在國家經濟建設各個方面的應用；國內外測繪地理信息學術動態及有關測繪地理信息科技信息等。

《測繪通報》的主要欄目有學術研究、技術交流、測繪地理信息論壇、經驗介紹、測量員之窗、國外測繪地理信息、行業管理、行業研究、行業調查、知識窗、新書介紹、企業之窗、測繪地理信息教學等。

《測繪通報》為月刊，2018年定價：35.00元，郵發代號：2-223。

編輯部地址：北京市西城區三里河路50號，郵編：100045，訂閱電話：010-68531192(金老師)，68531317(傳真)。

網址：http:∥tb.sinomaps.com